Термодинамические и динамические свойства металлов и сплавов в методе модельного функционала электронной плотности

• Автор: Кадыров, Руслан Илович
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1999
• Место защиты: Томск
• Количество страниц: 119 с.

СОДЕРЖАНИЕ
Введение
I. Методы расчета термодинамических характеристик металлов и сплавов и нелинейные эффекты при высокоэнергетических воздействиях
1.1. Поверхностная энергия чистых металлов и сплавов
1.2. Структурные и термически активируемые точечные дефекты в сплавах
1.3. Нелинейные эффекты при высокоэнергетических воздействиях на материал
1.4. Метод модельного функционала электронной плотности
II. Расчет поверхностной энергии металлов и сплавов в рамках метода модельного функционала электронной плотности
2.1. Поверхность металлического сплава
2.2. Расчет поверхностной энергии в рамках метода модельного функционала электронной плотности
2.3. Поверхностная энергия металлов
2.4. Поверхностная энергия упорядоченных сплавов
III. Методика расчета свойств структурных и термически активируемых дефектов в рамках метода модельного функционала электронной плотности
3.1. Модель расчета свойств термически активируемых вакансий в сплавах
3.2. Модель расчета характеристик структурных дефектов в сплавах
3.3. Результаты расчета энергии и объема образование термически активируемых вакансий в сплавах МИI и М?Н
3.4. Результаты расчета энергии и объема образования структурных дефектов в сплавах МП / и ММ
3.5. Термически активируемые точечные дефекты в сплавах МП/ и М>4

-) о

V. Моделирование поведения материалов при высокоэнергетических оздействиях с использованием многочастичных межатомных отенциалов
4.1. Отклик материала со свободной поверхностью при высокоскоростном механическом нагружении
4.2. Формирование уединенных волн при локальном импульсном разогреве металла со свободной поверхностью
4.3. Особенности распространения уединенных импульсов в разогретом кристаллите
:лючение сложения зложение А зложение В тсок литературы

ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время интенсивное развитие получили технологии обработки и повышения эксплутационных качеств материалов, основанные на высокоэнергетическом воздействии на свободную поверхность потоками плазмы, лазерным излучением, электронными и ионными пучками. Процессы, протекающие при таких воздействиях, имеют ярко выраженный нелинейный характер, могут сопровождаться модификацией структуры материала, генерацией точечных и протяженных дефектов. Теоретические исследования явлений, происходящих в металлах при высокоэнергетическом внешнем воздействии, как правило, носят феноменологический характер и ограничены рассмотрением локальных приповерхностных областей материала. В связи с этим компьютерное моделирование нелинейного отклика поверхности материалов на внешние высокоэнергетические воздействия, а также процессов, происходящих при распространении возмущения внутрь образца, является актуальной задачей современного материаловедения.
Для моделирования методом молекулярной динамики физических процессов, протекающих на поверхности металлов при высокоэнергетическом внешнем воздействии, необходимо использовать многочастичные потенциалы межатомного взаимодействия, которые адекватно описывают широкий круг термодинамических свойств рассматриваемых материалов. Наиболее широкое распространение среди них получили потенциалы, которые рассчитываются в рамках методов: Финниса - Синклера [1], погруженного атома [2] и эффективной среды [3]. Каждый из этих методов имеет свои достоинства и недостатки. Недостатки заключаются в том, что эти методы не позволяют в рамках единого подхода описать свойства точечных и протяженных дефектов в сплавах простых и переходных металлов. В то же время, достоинством данных методов является относительная простота и высокая скорость реализации вычислительных схем. Одним из квантовомеханически обоснованных методов вычисления многочастичных потенциалов межатомного взаимодействия в металлах и сплавах является метод модельного функционала электронной плотности (МФЭП). Как было показано в работах [4-7] МФЭП позволяет в рамках единого подхода

слоях атомов, параллельных поверхности (111) содержится 75% атомов сорта А и 25% атомов сорта В. В случае сплава В2 все слои атомов, параллельные .поверхности (110), состоят на 50% из атомов сорта А и на 50% из атомов сорта В. В сверхструктуре Li 2 слоевые концентрации атомов поверхностей (100) и (110) чередуются.
Известно, что атомы поверхности кристалла могут быть смещены из узлов идеальной кристаллической решетки, а плотность электронов экспоненциально спадает за поверхностью [8,10,11]. Нахождение энергии, требуемой для достижения равновесной конфигурации атомов поверхности и равновесного распределения плотности электронов, удобно выделить в отдельную задачу. При этом величину поверхностной энергии можно представить в виде (7 — O' q + а/;.
Расчет энергии <т0 в рамках метода МФЭП соответствует нахождению
поверхностной энергии кристалла, у которого атомы не смещены из узлов идеальной решетки, а параметры плотности кристалла с поверхностью равны своим объемным значениям. Отметим, что выбор плотности в виде суперпозиции слэтеровских функций дает качественно правильную картину экспоненциального спадания плотности электронов за поверхностью кристалла даже при объемных значениях параметров. Это значительно облегчает расчеты, так как при использовании других методов выбор пробной функции плотности иногда превращается в самостоятельную задачу [10].
Второй этап предполагает расчет энергии релаксации aR включающий в
себя как уменьшение поверхностной энергии на величину Дад за счет смещения
атомов вблизи поверхности, так и уменьшения а на величину Дар за счет
изменения вида электронной плотности этих атомов. Ясно, что Дса и Дар
связаны между собой, так как изменение параметров атомных функций приводит к изменению многочастичных потенциалов межатомного взаимодействия, что оказывает влияния на смещения атомов в близи поверхности. В [44] было показано, что вариационная задача по виду электронной плотности в МФЭП уменьшает поверхностную энергию приблизительно на 10%, в то время величена Да R
-составляет приблизительно 2%. Однако вариация по виду электронной плотности